Ganancia de Voltaje del Amplificador FET: Fórmula, Factores y Consideraciones Prácticas de Diseño
La ganancia de voltaje de un amplificador de transistor de efecto de campo (FET)—ya sea JFET, MOSFET o HEMT de GaN—está fundamentalmente establecida por la transconductancia y la impedancia de carga. Aquí está la teoría esencial y lo que cambia en circuitos reales.
Ecuación Central de Ganancia
Para una etapa común-fuente (CS) con carga resistiva RL en banda media (condensadores en cortocircuito, C parásito en abierto):
Av ≈ −gm · (RD ∥ RL ∥ ro)
- gm = transconductancia (S) — ΔID/ΔVGS en el punto de polarización
- RD = resistencia de drenaje
- RL = resistencia de carga externa
- ro = resistencia de salida del FET (1/λID), a menudo ≫ RD∥RL
- Signo negativo = inversión de fase de 180° (etapa CS)
¿Qué Controla gm?
- MOSFET (saturación): gm = √(2μCox(W/L)ID) = 2ID/(VGS−Vth)
- JFET: gm = gm0[1 − VGS/Vp]
- GaN/SiC HEMT: similar a MOSFET pero mayor gm por mm de ancho de puerta
→ Mayor ID (dentro de los límites de disipación) → mayor gm → mayor ganancia.
Factores Prácticos que Limitan la Ganancia
Respuesta en Frecuencia
- Entrada: Ciss (Cgs+Cgd) + Rsig forman un polo pasa-bajos.
- Salida: Coss + RD∥RL forman otro polo.
- Efecto Miller: Cgd multiplicado por (1+|Av|) en la entrada—a menudo el limitador de ancho de banda dominante.
Estabilidad del Punto de Polarización
La ganancia ∝ √ID (MOSFET). La deriva de polarización por temperatura, variación del dispositivo o ruido de alimentación modula directamente la ganancia. Use polarización con fuente de corriente o realimentación para estabilidad.
Impedancia de Carga
La ganancia colapsa si RL ≪ RD. Use un seguidor de fuente o añada un transformador para cargas de baja Z (altavoces, líneas de 50 Ω).
No Ideales
- Efecto cuerpo (MOSFET) reduce la gm efectiva si la fuente no está conectada al cuerpo.
- Saturación de velocidad en canales cortos hace que gm ∝ ID (no ∝ √ID).
- Auto-calentamiento → Tj ↑ → movilidad ↓ → gm ↓.
Ejemplo Resuelto
MOSFET: gm = 2 mS, RD = 10 kΩ, RL = 10 kΩ, ro = 100 kΩ.
Req = 10k ∥ 10k ∥ 100k ≈ 4.76 kΩ
Av ≈ −2 mS × 4.76 kΩ = −9.5 V/V (≈ 19.6 dB)